[发明专利]一种六轴联动机床弱电控制系统及六轴联动机床和铣削加工方法

权利要求书

1.一种薄壁球壳类微小构件微铣削加工专用超精六轴联动机床，其特征在于所述六轴联动机床包括：薄壁球壳类微小构件微铣削加工专用六轴联动机床弱电控制系统、床身(1)、X轴运动单元(2)、Y轴运动单元(3)、C轴回转单元(4)、初次装夹系统(5)、竖直CCD相机(6)、球头铣刀(8)、铣削工具轴(9)、调头装夹系统(10)、B轴转台(11)、Z轴运动单元(12)以及水平CCD相机(13)；X轴运动单元(2)和Z轴运动单元(12)相互垂直水平布置于床身(1)上；Y轴运动单元(3)布置在X轴运动单元(2)上；由圆光栅反馈控制的C轴回转单元(4)布置在Y轴运动单元(3)拖板中间且可上下移动；初次装夹系统(5)安装在C轴回转单元(4)上，初次装夹系统(5)的末端用于吸附待加工的薄壁球壳类微小构件(7)的一半球面；水平CCD相机(13)通过第一高精度二维微位移平台安装在Z轴运动单元(12)上的B轴转台(11)上的过渡板上，CCD相机镜头轴线指向球头铣刀球心；竖直CCD相机(6)通过第二高精度二维微位移平台安装在Y轴运动单元(3)的过渡板上；调头装夹系统(10)安装在B轴转台(11)上且可与初次装夹系统(5)相对设置，用于吸附薄壁球壳类微小构件(7)的另一半球面，用于在薄壁球壳类微小构件(7)的表面上加工多个微坑的球头铣刀(8)安装在铣削工具轴(9)的转子末端上，铣削工具轴(9)的定子通过轴架可拆卸地安装在B轴转台(11)上；铣削工具轴(9)的转子对应轴线与XZ水平面的角为10～15度；Z轴运动单元(12)沿其风琴罩方向移动以带动其上的B轴转台(11)一起移动，X轴运动单元(2)上方的Y轴运动单元(3)和初次装夹系统(5)沿其风琴罩方向移动；

所述六轴联动机床弱电控制系统用于控制薄壁球壳类微小构件微铣削加工专用超精六轴联动机床上的X轴运动单元(2)、Y轴运动单元(3)以及Z轴运动单元(12)上的运动部件作直线往复运动，B轴转台(11)、C轴回转单元(4)以及铣削工具轴(9)上的转动部件作回转运动；

所述六轴联动机床弱电控制系统包括：

受控于上位机的五轴控制器(UMAC)以及与所述五轴控制器分别连接的X轴子系统、Y轴子系统、Z轴子系统、B轴子系统、C轴子系统；还包括工具轴独立控制柜；

X轴子系统包括X轴驱动器、X轴直线电机、X轴反馈光栅；X轴驱动器用于驱动X轴直线电机，X轴反馈光栅用于反馈X轴直线电机的运动位置，通过X轴直线电机控制X轴运动单元上的运动部件前后移动；

Y轴子系统包括Y轴驱动器、Y轴直线电机、Y轴反馈光栅；Y轴驱动器用于驱动Y轴直线电机，Y轴反馈光栅用于反馈Y轴直线电机的运动位置，通过Y轴直线电机控制Y轴运动单元上的运动部件上下移动；

Z轴子系统包括Z轴驱动器、Z轴直线电机、Z轴反馈光栅；Z轴驱动器用于驱动Z轴直线电机，Z轴反馈光栅用于反馈Z轴直线电机的运动位置，通过Z轴直线电机控制Z轴运动单元上的运动部件左右移动；

B轴子系统包括B轴驱动器、B轴回转电机、B轴反馈光栅；B轴驱动器用于驱动B轴回转电机，B轴反馈光栅用于反馈B轴回转电机的运动位置，通过B轴回转电机控制B轴转台(11)的转动部件作回转运动；

C轴子系统包括B轴驱动器、C轴回转电机、C轴反馈光栅；C轴驱动器用于驱动C轴回转电机，C轴反馈光栅用于反馈C轴回转电机的运动位置，通过C轴回转电机控制C轴回转单元(4)的转动部件作回转运动；

所述工具轴独立控制柜用于控制铣削工具轴(9)的启停及转速，所述工具轴独立控制柜通过其面板向工具轴独立控制柜内控制器发出指令，由所述控制器向工具轴独立控制柜内驱动器发出指令，进而实现对铣削工具轴(9)的启停及转速的控制；

所述的一种薄壁球壳类微小构件微铣削加工专用六轴联动机床弱电控制系统还包括与上位机连接的显微成像系统，所述显微成像系统包括对刀子系统以及图像采集子系统；

所述的一种薄壁球壳类微小构件微铣削加工专用六轴联动机床弱电控制系统中，对刀子系统用于实现初次装夹对刀以及二次装夹对刀的监控，具体过程包括：

CCD对刀：通过竖直CCD相机监测X-Z平面内工件-刀具接触区域，通过水平CCD相机监测X-Y平面内工件-刀具接触区域，通过图像处理及多轴联动，即可实现微空间尺度约束下的精准对刀，具体操作步骤如下：

步骤(1)：对水平CCD相机和竖直CCD相机进行标定，分别获取像素坐标系与机床坐标系之间的水平转换关系和垂直转换关系；

步骤(2)：通过竖直CCD相机获取X-Z平面内刀具-工件接触区域图像，通过水平CCD获取X-Y平面内刀具-工件接触区域图像；

步骤(3)：对步骤(2)获取的X-Z平面图像及X-Y平面图像依次进行灰度处理，图像分割处理，将薄壁球壳类微小构件或球头铣刀与其他图像背景分隔开；

步骤(4)：采用经典霍夫变换方法，根据圆弧轮廓点迭代计算，分别获得X-Z平面内薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标及球头铣刀球心位置的像素坐标，以及X-Y平面内薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标及球头铣刀球心位置的像素坐标；

步骤(5)：根据步骤(1)的水平转换关系，由步骤(4)获得的像素坐标，转换可得X-Y平面内薄壁球壳类微小构件球心及球头铣刀球心实际位置；

步骤(6)：根据步骤(1)的垂直转换关系，由步骤(4)获得的像素坐标，转换可得X-Z平面内薄壁球壳类微小构件球心及球头铣刀球心实际位置；

步骤(7)：根据步骤(5)(6)获得的薄壁球壳类微小构件及球头铣刀球心实际位置偏差，通过程序控制X、Y、Z联动，实现微空间尺度约束下的精准对刀；

调头装夹监测：在调头二次装夹时，需要通过竖直CCD对薄壁球壳类微小构件与真空吸附夹具接触区域进行实时监测，具体操作步骤如下：

步骤(1)：在进行二次调头装夹过程中，由软件控制系统调用竖直CCD成像系统，对工件-真空吸附夹具接触区域进行显微观测；

步骤(2)：对竖直CCD相机进行标定，获取像素坐标与机床坐标之间的转换关系；

步骤(3)：通过竖直CCD相机获取工件-真空吸附夹具接触区域图像；

步骤(4)：对步骤(3)获取的图像进行灰度处理、图像分割处理，将薄壁球壳类微小构件或球头铣刀与其他图像背景分隔开；

步骤(5)：采用经典霍夫变换方法，根据圆弧轮廓点迭代计算，分别获得X-Z平面内薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标以及调头装夹真空吸附夹具头部吸附区域中点像素坐标；

步骤(6)：根据步骤(2)的水平转换关系，由步骤(5)获得的像素坐标，转换可得X-Z平面内薄壁球壳类微小构件球心调头装夹真空吸附夹具头部吸附区域中点实际位置；

步骤(7)：控制Z轴移动相应距离，实现调头装夹时真空吸附的监测；

所述的一种薄壁球壳类微小构件微铣削加工专用六轴联动机床弱电控制系统中，图像采集子系统用于实时采集薄壁球壳类微小构件微铣削加工过程中表面微坑图像以获取其表面形貌，具体过程包括：

特征微结构捕捉：在调头装夹之后，需要捕捉识别初次装夹加工时的最后一个微坑结构及其坐标，记为参考坐标，以作为二次调头装夹初始微坑坐标的参考，具体操作流程如下：

步骤(1)：对竖直CCD相机进行标定，获取像素坐标与机床坐标之间的转换关系；

步骤(2)：控制工件C轴低速转动，通过竖直CCD相机观测薄壁球壳类微小构件表面；

步骤(3)：待初次装夹加工时最后一个微坑结构出现在视野中时，气浮工件C轴停止转动，通过竖直CCD相机拍照，获取此时薄壁球壳类微小构件表面微坑图像；

步骤(4)：对步骤(3)获取的图像进行灰度处理、图像分割处理，将薄壁球壳类微小构件及初次装夹最后一个微坑结构与其他图像背景分隔开；

步骤(5)：采用经典霍夫变换方法，根据圆弧轮廓点迭代计算，获得薄壁球壳类微小构件初次装夹最后一个微坑结构点像素坐标；

步骤(6)：根据步骤(1)的水平转换关系，由步骤(5)获得的像素坐标，转换得到初次装夹加工时最后一个微坑结构的实际位置，完成特征微坑结构的捕捉及识别；

加工过程监测：图像采集-加工过程监视显微成像系统由高分辨率CCD相机对加工区域状态、工件形貌、刀具磨损等进行全方位实时监控，协同实现薄壁球壳类微小构件表面微坑结构的高精度加工，具体操作步骤如下：

步骤(1)：利用高分辨率CCD相机的显微放大功能，通过竖直CCD相机对X-Z平面内工件-刀具接触区域进行监测，可实时监测工件形貌、刀具磨损等；

步骤(2)：利用高分辨率CCD相机的显微放大功能，通过水平CCD相机对X-Y平面内工件-刀具接触区域进行监测，可实时监测工件形貌、刀具磨损。

2.一种薄壁球壳类微小构件微铣削加工方法，所述方法是基于权利要求1所述的一种薄壁球壳类微小构件微铣削加工专用超精六轴联动机床来实现的，其特征在于，包括对刀步骤、第一半球冠加工步骤、调头装夹步骤以及第二半球冠加工步骤，其中：

对刀步骤包括：

对水平CCD相机和竖直CCD相机进行标定，分别获取像素坐标系与机床坐标系之间的水平转换关系和垂直转换关系；

通过竖直CCD相机获取X-Z平面内刀具-工件接触区域图像，通过水平CCD获取X-Y平面内刀具-工件接触区域图像；

对所述X-Z平面内刀具-工件接触区域图像及所述X-Y平面内刀具-工件接触区域图像依次进行灰度处理，图像分割处理，将薄壁球壳类微小构件或球头铣刀与其他图像背景分隔开；

采用经典霍夫变换方法，根据圆弧轮廓点迭代计算，分别获得X-Z平面内薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标及球头铣刀球心位置的像素坐标，以及X-Y平面内薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标及球头铣刀球心位置的像素坐标；

根据所述水平转换关系，由所述“X-Y平面内薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标及球头铣刀球心位置的像素坐标”转换可得X-Y平面内薄壁球壳类微小构件球心及球头铣刀球心实际位置；

根据所述垂直转换关系，由所述“X-Z平面内薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标及球头铣刀球心位置的像素坐标”转换可得X-Z平面内薄壁球壳类微小构件球心及球头铣刀球心实际位置；

根据X-Y、X-Z平面内薄壁球壳类微小构件球心及球头铣刀球心实际位置，通过程序控制X、Y、Z联动，实现对刀；

第一半球冠加工步骤包括：

控制B轴转台正向转动α；

控制X、Z轴联动，使得球头铣刀沿薄壁球壳类微小构件径向进给设定的加工深度；

按照已规划程序加工路径，气浮工件C轴旋转β₁角至另一经度面，回到“控制B轴转台正向转动α”步骤，完成下一个微坑结构的加工；

调头装夹步骤包括：

控制X轴运动单元移动距离x₁；使得调头装夹系统真空吸附夹具轴线与初次装夹系统真空吸附夹具轴线在同一平面内；

控制Y轴运动单元移动y₁，实现调头装夹系统真空吸附夹具轴线与初次装夹系统真空吸附夹具轴线同轴；

控制Z轴移动距离z₁；通过竖直CCD相机观察真空吸附夹具与薄壁球壳类微小构件的接触区域，使得调头装夹系统真空吸附夹具紧密接触薄壁球壳类微小构件；

对调头装夹系统真空吸附夹具施加真空负压，解除初次装夹系统真空吸附夹具负压，将薄壁球壳类微小构件转接到调头装夹系统的真空吸附夹具上，实现薄壁球壳类微小构件的二次装夹；

将调头装夹系统中零点快换系统以及末端联接有薄壁球壳类微小构件的真空吸附夹具拆卸下来，联接到气浮工件C轴上，实现薄壁球壳类微小构件的调头二次装夹；

第二半球冠加工步骤包括：

通过竖直CCD相机定位第一半球冠加工步骤所完成的最后一个微坑结构，控制工件使所述微坑结构位于与气浮工件C轴轴线所在的X-Z平面内；

控制X、Z轴联动，使球头铣刀沿薄壁球壳微小构件径向进给设定的加工深度；

控制气浮工件C轴旋转β₂角至另一经度面，完成下一个微坑结构的加工。